非接触給電装置
【課題】送電コイルや受電コイルを複数の仕様の非接触給電トランスで共用できる非接触給電装置を提供する。
【解決手段】給電電力１．５ｋＷ、ギャップ長７０ｍｍの仕様の送電コイル（Ｃ１ＮＳ）に給電電力１０ｋＷ、ギャップ長７０ｍｍの仕様の受電コイル（Ｃ２ＲＳ）が対向したり、給電電力１．５ｋＷ、ギャップ長１４０ｍｍの仕様の送電コイル（Ｃ１ＮＬ）に給電電力１．５ｋＷ、ギャップ長７０ｍｍの仕様の受電コイル（Ｃ２ＮＳ）が対向したりできる。送電コイルと受電コイルの給電電力の仕様が異なるときは、小さい方の給電電力で給電が行われ、送電コイルと受電コイルのギャップ長の仕様が異なるときは、送電コイルの仕様であるギャップ長で給電が行われる。仕様の異なる送電コイルと受電コイルとの間の給電が可能になる。
【解決手段】給電電力１．５ｋＷ、ギャップ長７０ｍｍの仕様の送電コイル（Ｃ１ＮＳ）に給電電力１０ｋＷ、ギャップ長７０ｍｍの仕様の受電コイル（Ｃ２ＲＳ）が対向したり、給電電力１．５ｋＷ、ギャップ長１４０ｍｍの仕様の送電コイル（Ｃ１ＮＬ）に給電電力１．５ｋＷ、ギャップ長７０ｍｍの仕様の受電コイル（Ｃ２ＮＳ）が対向したりできる。送電コイルと受電コイルの給電電力の仕様が異なるときは、小さい方の給電電力で給電が行われ、送電コイルと受電コイルのギャップ長の仕様が異なるときは、送電コイルの仕様であるギャップ長で給電が行われる。仕様の異なる送電コイルと受電コイルとの間の給電が可能になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車などの移動体に非接触で給電する非接触給電装置に関し、仕様の異なる送電コイル／受電コイル間での給電を可能にするものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触給電装置は、送電コイル（一次コイル）と受電コイル（二次コイル）との間の電磁誘導を利用して送電コイルから受電コイルに電力を供給する。この非接触給電装置は、電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載された二次電池の充電に利用することができ、車両充電用の非接触給電装置に対する需要は、今後、拡大するものと見られている。
車両充電用の非接触給電装置の場合、受電コイルを床の下面に搭載した自動車が、地面に設置された送電コイルの真上に受電コイルが来るように停車して非接触給電が行われるが、送電コイルと受電コイルとの水平方向の位置ずれや上下方向のギャップ長変動により、送電コイルと受電コイルとの間の結合係数が変化する。
この送電コイル／受電コイル間の位置ずれやギャップ長変動に伴う受電効率の低下を抑えるためには、コイル間の広い対向面積を確保する必要があり、コイル形状の大型化が避けられない。
【０００３】
しかし、図９（ａ）に示すように、矩形状のコア７０の中央部分に電線５０を巻回したコイル（両側巻コイル）を用いると、下記特許文献１に記載されているように、コアの片面に巻線を配置したコイル（片側巻コイル）よりも小型化が可能になる。図９（ａ）の上側は巻線を備えるコアを示し、下側はコアのみを示している。電線５０が巻回されないコア７０の両端７１、７２は、磁束が進入し、または出て行く磁極部となる。
また、本発明者等は、先に、図９（ｂ）に示すように、小型化が可能で、コア材の量が節約できるＨ字形状のコア８０を提案している（特願２００９−１９９４２５）。このＨ型コアの場合、Ｈの字の横棒部分８３に電線５０が巻回され、平行する縦棒部分８１、８２が磁極部となる。
【０００４】
両側巻コイルの送電コイルと受電コイルとが対向する場合、図１０に示すように、送電コイルのコア６１の磁極部から出た主磁束６７は、受電コイルのコア６３の磁極部に進入し、電線６４が巻回されたコア部分を通り、他方の磁極部から出て送電コイルのコア６１の磁極部に進入し、電線６２が巻回されたコア部分を通り、他方の磁極部に達する。
なお、両側巻コイルを用いる非接触給電装置では、漏洩磁束を磁気遮蔽するため、コイルの背面にアルミ板６５、６６を配置する。
【０００５】
また、図１１は、下記特許文献２に記載された非接触給電システムの回路図を示している。この回路は、商用電源ＶACの交流を整流器５で整流した後、インバータ４で高周波を生成して出力する高周波電源３と、送電コイル１と、高周波電源３及び送電コイル１間に直列接続された一次側直列コンデンサＣSと、送電コイル１に対向する受電コイル２と、受電コイル２に並列接続された二次側共振コンデンサＣPと、負荷ＲLとを備えている。
この等価回路は図１２のように表すことができ、一次側直列コンデンサの値ＣS及び二次側並列共振コンデンサの値ＣPは、共振条件から次式のように設定する。
ω0＝２πｆ0
１／ω0ＣP＝ω0Ｌ2＝ｘP＝ｘ0’＋ｘ2
１／ω0ＣS＝ｘS’＝｛（ｘ0’・ｘ2）／（ｘ0’＋ｘ2）｝＋ｘ1’
ここでｆ0は高周波電源３の周波数、Ｌ2は受電コイルの自己インダクタンスである。
一次側直列コンデンサＣS及び二次側並列共振コンデンサＣPを備える非接触給電装置は、このようにＣP及びＣSを設定すると、非接触給電トランス（送電コイル＋受電コイル）が理想トランスと等価になるので、その設計が容易になる。また、負荷ＲLが抵抗負荷の場合は、高周波電源３の力率が常に１になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１７２０８４号公報
【特許文献２】ＷＯ２００７−０２９４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
車両充電用の非接触給電装置の利用形態として、自宅で小容量の非接触給電トランスにより普通充電（長時間充電）を行う場合と、駐車場等で大容量の非接触給電トランスにより急速充電を行う場合とが考えられる。
小容量の非接触給電トランスと大容量の非接触給電トランスでは、給電電力に関する仕様が相違する。
また、駐車場等では、送電コイルの表面のみが地表に現れるように送電コイルを地中に埋設する形態が主流になり、自宅では、送電コイルを地表に据え置きする簡便な形態が主流になると考えられる。この場合、非接触給電トランスのギャップ長は、送電コイルを地中に埋設した方が長くなる。そのため、非接触給電トランスにより、ギャップ長に関する仕様が異なる場合が有り得る。
【０００８】
しかし、従来は、同一仕様の送電コイルと受電コイルとの間での給電しか考慮されていない。
図１３は、従来の給電の形態を模式的に示している。ここでは、送電コイルをＣ１、受電コイルをＣ２で表している。また、給電能力の仕様が１．５ｋＷのコイルをＮで、１０ｋＷのコイルをＲで表している。また、ギャップ長の仕様が７０ｍｍのコイルをＳで、１４０ｍｍのコイルをＬで表している。
従来の非接触給電装置では、Ｃ２ＮＳの受電コイルは、Ｃ１ＮＳの送電コイルのみから受電するように設定され、同様に、Ｃ２ＲＳの受電コイルはＣ１ＲＳの送電コイルから、Ｃ２ＮＬの受電コイルはＣ１ＮＬの送電コイルから、また、Ｃ２ＲＬの受電コイルはＣ１ＲＬの送電コイルから受電するように設定されている。
【０００９】
このように、非接触給電トランスに複数種類の仕様が存在する場合に、車両に搭載した受電コイルの仕様と一致する送電コイルからの受電のみが可能で、それ以外の送電コイルから受電できない、と言うのは、極めて不便である。
また、複数種類の仕様の送電コイルから受電が受けられるように、車両に複数種類の仕様の受電コイルを搭載するのでは、車両の重量が増え、コストの上昇をもたらすと言う不都合がある。
【００１０】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、仕様の異なる送電コイルと受電コイルとの間の給電を可能にし、送電コイルや受電コイルを複数の仕様の非接触給電トランスで共用できる非接触給電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の非接触給電装置は、送電コイルと、送電コイルに直列または並列に接続する一次側コンデンサと、送電コイルにギャップを介して対向する受電コイルと、受電コイルに並列に接続する二次側共振コンデンサとを備え、送電コイルから受電コイルに給電が行われる非接触給電装置であって、送電コイル及び受電コイルは、両端に磁極部を有する矩形状またはＨ字状のコアと、磁極部の間のコア部分に巻回された電線とを備え、送電コイルの電源周波数の仕様と受電コイルの共振周波数の仕様とが等しく、送電コイルの給電電力及びギャップ長の少なくとも一方の仕様が、受電コイルの対応する仕様と相違し、給電電力の仕様が送電コイルと受電コイルとで相違するとき、それらの給電電力の内で小さい方の給電電力を給電可能な最大電力として送電コイルから受電コイルへの給電が行われ、ギャップ長の仕様が送電コイルと受電コイルとで相違するとき、送電コイルの仕様であるギャップ長を介して送電コイルと受電コイルとが対向し、給電が行われることを特徴とする。
【００１２】
非接触給電トランスの送電コイルと受電コイルとの仕様が異なる場合でも、給電を可能にするために、各仕様の非接触給電トランスは、
（１）送電コイル及び受電コイルのコアを矩形状またはＨ字状とする。
（２）送電コイル及び受電コイルは両側巻コイルとする。
（３）電源周波数を共通にする。
（４）受電コイルと並列に二次側共振コンデンサを接続する。
そして、給電電力の仕様が送電コイルと受電コイルとで異なるときは、小さい方の給電電力で給電を行う。また、ギャップ長の仕様が送電コイルと受電コイルとで異なるときは、送電コイルの仕様であるギャップ長で給電を行う。
【００１３】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルと受電コイルとの間の係合係数をＫAB、送電コイルの給電電力及びギャップ長の仕様と同一仕様の受電コイルと送電コイルとの間の結合係数をＫA、受電コイルの給電電力及びギャップ長の仕様と同一仕様の送電コイルと受電コイルとの間の結合係数をＫBとするとき、
０．５ＫA≦ＫAB≦２ＫA、且つ、０．５ＫB≦ＫAB≦２ＫB
とする。
異仕様間の組み合わせの場合に、高効率な給電を行うには送電コイルと受電コイルとの間の結合係数ＫABが高い必要がある。送電コイルと正規に組合される受電コイルとの結合係数をＫA、受電コイルと正規に組合される送電コイルとの結合係数をＫBとするとき、上記不等式を満たすように送電コイル及び受電コイルのコア形状や巻数を設計して、正規の組み合わせの場合の結合係数と同程度の結合係数を確保する。
【００１４】
また、本発明の非接触給電装置では、受電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、送電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の受電コイルに巻回された電線の巻回数に等しくなるようにする。
送電コイルの巻数と受電コイルの巻数とは、送電コイルと受電コイルとの電圧比を決める重要なパラメータである。ギャップ長が長い仕様の場合、ギャップ長が短いものと比べて、結合係数が下がり、送電コイルの電圧が一定でも受電コイルの電圧が上がる。車載装置にとって、受電コイルの電圧変化は好ましくない。そのため、ギャップ長の仕様が異なる非接触給電トランスの共用化を図る上で、ギャップ長の違いによる受電コイルの電圧変化を抑制する対策が必要になるが、本発明では、受電コイルの巻数は統一し、送電コイルの巻数を変えて、この受電コイルの電圧変化に対応する。
【００１５】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルのギャップ長の仕様が受電コイルのギャップ長の仕様と同一であるとき、送電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、受電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の送電コイルに巻回された電線の巻回数に等しくなるようにする。
ギャップ長の仕様が同一の送電コイルにおける巻線の巻回数は同数に設定する。
【００１６】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルのギャップ長の仕様が受電コイルのギャップ長の仕様より長いとき、送電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、受電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の送電コイルに巻回された電線の巻回数より多く設定する。
ギャップ長の仕様が異なる非接触給電トランス間では、受電コイルの巻数を統一し、ギャップ長の長い送電トランスの巻数Ｎ1Lをギャップ長の短いトランスの巻数Ｎ1Sよりも多くする（Ｎ1L≧Ｎ1S）。ギャップ長の仕様が変化するのは、主に、図１３に示すように送電コイルを地表に据え置きするか、地中に埋設するかに依る。従って、ギャップ長の違いによる受電コイルの電圧変化を抑制するには、車載の受電コイルの巻数は一定にして、送電コイルの巻数で調整する方が好ましい。
【００１７】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルの磁極部の長さをＬA、幅をＷA、コアの両端にある磁極部の間の距離をＤA、受電コイルの磁極部の長さをＬB、幅をＷB、コアの両端にある磁極部の間の距離をＤBとするとき、
０．５×ＬB≦ＬA≦２×ＬB
ＤB≦ＤA≦ＤB＋２×ＷB、または、ＤA≦ＤB≦ＤA＋２×ＷA
とする。
こうすることで、異仕様の送電コイルと受電コイルとを組合わせた非接触給電トランスでも、送電コイル及び受電コイルの磁極部の重なりが得られる。
【００１８】
また、本発明の非接触給電装置では、受電コイルに並列に接続された二次側共振コンデンサの値ＣPは、受電コイルと同一仕様の送電コイルがギャップ長の位置に開放状態で置かれたときの受電コイルの自己インダクタンスをＬ2とするとき、電源周波数ｆ0で、Ｌ2とＣPとが共振するように設定する。
二次側共振コンデンサの値ＣPは、受電コイルと正規に組合される送電コイルとの非接触給電トランスにおいて共振するように設定する。
【００１９】
また、本発明の非接触給電装置では、一次側コンデンサを送電コイルと高周波電源との間に直列に接続し、一次側コンデンサの値ＣSは、受電コイルに二次側共振コンデンサＣPと抵抗負荷ＲLとが並列接続した状態で、高周波電源の出力力率が１になるように設定する。
【００２０】
また、本発明の非接触給電装置では、一次側コンデンサの値ＣSを調整する調整手段を設け、調整手段が、高周波電源の出力力率が１になるように一次側コンデンサの値ＣSを調整する。
異仕様の送電コイルと受電コイルとの組合せにより、高周波電源の出力力率が１から大きくずれる場合は、一次側コンデンサの値ＣSを調整して最適な値に切り替える。
【００２１】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルの給電電力の仕様と、受電コイルの給電電力の仕様とが２倍以上異なる場合でも、送電コイルと受電コイルとの組合わせが可能である。
【００２２】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルのギャップ長の仕様と、受電コイルのギャップ長の仕様とが１．５倍以上異なる場合でも、送電コイルと受電コイルとの組合わせが可能である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の非接触給電装置は、仕様の異なる送電コイルと受電コイルとの間での給電が可能であり、送電コイルや受電コイルを異なる仕様の非接触給電トランスに共用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】車両充電用の非接触給電システムを示す図
【図２】本発明の非接触給電装置の送電コイルと受電コイルの組合せの例を示す図
【図３】異仕様の送電コイルと受電コイルとを組合せた非接触給電装置の給電可能な最大電力と最大ギャップ長を示す図
【図４】本発明の非接触給電装置の送電コイルと受電コイルの磁極部の大きさの関係を示す図
【図５】試作した非接触給電装置の送電コイル及び受電コイルのコアの外形を示す図
【図６】図５の送電コイル及び受電コイルの巻数、巻線並列数、コア厚さを示す図
【図７】異仕様の送電コイルと受電コイルとを組合わせた非接触給電システムの回路図
【図８】異仕様の送電コイルと受電コイルとを組合わせた非接触給電装置の特性を示す図
【図９】矩形状コア及びＨ型コアを備える非接触給電トランスを示す図
【図１０】両側巻の非接触給電トランスの磁束を示す図
【図１１】非接触給電システムの回路図
【図１２】図１１の等価回路
【図１３】従来の非接触給電装置の送電コイルと受電コイルの組合せを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明の非接触給電システムをプラグインハイブリッド車の充電に用いたときの形態を模式的に示している。
充電を受けるプラグインハイブリッド車は、エンジン５４とともにモータ５３を駆動源として搭載し、モータ用の電源である二次電池５１と、二次電池の直流を交流に変換してモータに供給するインバータ５２とを備えている。
二次電池５１への給電を行う非接触給電システムは、地上側に、商用電源の交流を直流に変換するとともに、その電圧を可変する可変電圧整流器１０と、直流から高周波交流を生成するインバータ２０と、非接触給電トランス３０の一方である送電コイル３１と、送電コイルに直列接続された一次側直列コンデンサ３２とを備えており、車両側に、非接触給電トランス３０の他方である受電コイル３３と、二次電池のために交流を直流に変換する整流器４０と、受電コイルと整流器との間に並列接続された二次側並列共振コンデンサ３４とを備えている。
【００２６】
図２は、本発明の非接触給電装置での送電コイルと受電コイルとの組合せの例を模式的に示している。ここでは、図１３と同様に、送電コイルをＣ１、受電コイルをＣ２で表し、給電能力の仕様が１．５ｋＷのコイルをＮ、１０ｋＷのコイルをＲ、ギャップ長の仕様が７０ｍｍのコイルをＳ、１４０ｍｍのコイルをＬで表している。
本発明の非接触給電装置では、Ｃ１ＮＳの送電コイルにＣ２ＲＳの受電コイルを組み合わせたり、Ｃ１ＲＳの送電コイルにＣ２ＮＳの受電コイルを組み合わせたり、Ｃ１ＮＬの送電コイルにＣ２ＮＳの受電コイルを組み合わせたり、Ｃ１ＮＳの送電コイルにＣ２ＮＬの受電コイルを組み合わせたりすることが可能である。
【００２７】
図３の表は、縦に記載した各仕様の送電コイルと、横に記載した各仕様の受電コイルとを組み合わせた非接触給電トランスの給電可能な最大電力と、最大ギャップ長とを示している。（なお、ギャップ長の７０ｍｍ及び１４０ｍｍは標準ギャップ長であり、ギャップ長が標準の値からプラス・マイナス４０％程度変動しても給電は可能である。）
図３に示すように、仕様の異なる送電コイルと受電コイルとを組み合わせた非接触給電トランスでは、送電コイル及び受電コイルの給電電力の内、小さい方の給電電力を給電可能な最大電力として設定する。
また、この非接触給電トランスの最大ギャップ長は、送電コイルの仕様であるギャップ長とする。
【００２８】
このように、送電コイル及び受電コイルが、異なる仕様の非接触給電トランスで共用できるようにするため、各仕様の非接触給電トランスは、次の要件を順守する必要がある。
（ａ）送電コイル及び受電コイルのコアは、矩形状またはＨ字状とし、送電コイル及び受電コイルは、両側巻コイルとする。これは、両側巻コイルの方が、片側巻コイルに比べて、送電コイルと受電コイルとの位置ずれを小型形状で補えるためである。
（ｂ）各仕様の非接触給電トランスの電源周波数（インバータ２０の出力周波数）を統一する。
（ｃ）受電コイルには並列に二次側共振コンデンサを接続する。また、送電コイルには一次側コンデンサを直列に接続することが望ましい。こうすることで、非接触給電トランスを理想トランスと略等価にすることができ、その設計が容易である。また、受電コイルに並列接続する負荷が抵抗負荷の場合、一次側コンデンサの値を調整して高周波電源３の力率を１に近付けることができる。一次側コンデンサの調整は、例えば、複数の値のコンデンサを用意して、最適なコンデンサに回路を切り替える。
なお、一次側コンデンサは、送電コイルに並列接続しても良いこととする。
【００２９】
（ｄ）異なる仕様の送電コイルと受電コイルとを組み合わせた非接触給電トランスで高い効率の給電を行うには、その送電コイルと受電コイルとの間の結合係数が高い必要がある。そのため、異なる仕様の送電コイルＣ１と受電コイルＣ２とを組み合わせた非接触給電トランスの結合係数をＫAB、送電コイルＣ１と同一仕様の受電コイルとを組み合わせた正規の非接触給電トランスの結合係数をＫA、受電コイルＣ２と同一仕様の送電コイルとを組み合わせた正規の非接触給電トランスの結合係数をＫBとするとき、
０．５ＫA≦ＫAB≦２ＫA、且つ、０．５ＫB≦ＫAB≦２ＫB
となるように設定する。
（ｅ）受電コイルを、ギャップ長の仕様が長い送電コイルに組合わせても、短い送電コイルに組合わせても、受電コイルの電圧変化が生じないように設定する必要がある。ギャップ長が長い仕様の場合、結合係数が下がり、送電コイルの電圧が一定でも受電コイルの電圧が上がる。車載装置にとっては受電コイルの電圧変化は好ましくない。そのため、送電コイルのギャップ長の仕様が違っても、受電コイルの電圧変化を抑制することが必要である。
【００３０】
この（ｄ）、（ｅ）の要件を満たすように送電コイル及び受電コイルのコアや巻線の仕様（材料、形状、寸法、巻回数など）を決める。
そのために、図４に示すように、送電コイルの磁極部の長さＬAと受電コイルの磁極部の長さＬBは略同じに設定する。少なくとも、
０．５×ＬB≦ＬA≦２×ＬB
の条件を満たす必要がある。
また、送電コイルの磁極部の幅をＷA、磁極部の間の距離をＤA、受電コイルの磁極部の幅をＷB、磁極部の間の距離をＤBとするとき、
ＤB≦ＤA≦ＤB＋２×ＷB、または、ＤA≦ＤB≦ＤA＋２×ＷA
となるように設定して、送電コイルの磁極部と受電コイルの磁極部とが常に重なるようにする。
【００３１】
また、送電コイル及び受電コイルの巻回数は、ギャップ長の仕様の違いによる受電コイルの電圧変化を抑制するため、次のように設定する。
ギャップ長の仕様の違いは、主に、図１３に示すように送電コイルを地表に据え置きするか、地中に埋設するかに依るため、各仕様において受電コイルの巻回数は統一し、送電コイルの巻回数をギャップ長に応じて調整し、受電コイルの電圧低下を抑える。
即ち、ギャップ長の仕様が異なる非接触給電トランスの送電コイルの巻数は、ギャップ長の長い送電コイルの巻数をＮ1L、ギャップ長の短い送電コイルの巻数をＮ1Sとするとき、Ｎ1L≧Ｎ1Sとなるように決める。また、ギャップ長の仕様が同一の送電コイルの巻数は、同数とする。
【００３２】
例えば、図２で送電コイルＣ１ＮＳの巻数をＮ１ＮＳ、受電コイルＣ２ＮＳの巻数をＮ２ＮＳのように、あるコイルの記号“Ｃ”を“Ｎ”に変えるとそのコイルの巻数を表すとする。また、各コイルのコアの形状と大きさは略同じであるとする。
このとき給電電力の仕様の異なるコイルの巻数をＮ１ＮＳ＝Ｎ１ＲＳ、且つ、Ｎ２ＮＳ＝Ｎ２ＲＳとすると、送電コイルＣ１ＮＳから受電コイルＣ２ＲＳへＣ１ＮＳの定格電力での給電が可能となり、同様にＣ１ＲＳからＣ２ＮＳへＣ２ＮＳの定格電力での給電が可能となる。
また、ギャップ長の仕様の異なるコイルの巻数をＮ１ＮＬ≧Ｎ１ＮＳ、且つ、Ｎ２ＮＬ＝Ｎ２ＮＳとすると、送電コイルＣ１ＮＬから受電コイルＣ２ＮＳへＣ１ＮＬのギャップ長の仕様での定格電力給電が可能となり、同様に、Ｃ１ＮＳからＣ２ＮＬへＣ１ＮＳのギャップ長の仕様での定格電力給電が可能となる。
【００３３】
以上のように送電コイル及び受電コイルのコアや巻線の仕様を設定することで、給電電力の仕様が２倍以上異なる送電コイルと受電コイルとを組み合わせたり、ギャップ長の仕様が１．５倍以上異なる送電コイルと受電コイルとを組み合わせたりすることが可能になる。
その結果、送電コイルが設置された非接触給電の地上設備を、各種仕様の受電コイルを搭載した車両が共用できるようになり、非接触給電による車両充電の普及を図ることができる。
また、受電コイルを搭載した車両は、各種仕様の送電コイルを備える非接触給電設備から給電を受けることができるため、利便性が向上する。
【００３４】
次に、発明者が試作した、相互の共用が可能な非接触給電装置について説明する。
この装置に用いる非接触給電トランスは、給電電力の仕様が１．５ｋＷの非接触給電トランス（３００ＨＡ）と、１０ｋＷの非接触給電トランス（３００ＨＡＷ）であり、図５（ａ）に３００ＨＡのＨ型コアの外形を示し、図５（ｂ）に３００ＨＡＷのＨ型コアの外形を示している。図６には、これらの非接触給電トランスの巻数、巻線並列数、及び、コア厚さを示している。コア厚さは、図４の被コイル部のコアの厚さである。
【００３５】
ここでは、３００ＨＡ及び３００ＨＡＷの磁極部の長さ（３００ｍｍ）を統一している。また、磁極部外端間の寸法は、３００ＨＡでは２４０ｍｍ、３００ＨＡＷでは２８０ｍｍに設定しており、３００ＨＡの送電コイルと３００ＨＡＷの受電コイルとを組み合わせたときに、また、３００ＨＡの受電コイルと３００ＨＡＷの送電コイルとを組み合わせたときに、互いの磁極部が重なるように決めている。また、３００ＨＡ及び３００ＨＡＷの送電コイルの巻数を同一に設定し、受電コイルの巻数を同一に設定している。
【００３６】
この３００ＨＡと３００ＨＡＷとの共用化を調べるため、３００ＨＡの送電コイルと３００ＨＡＷの受電コイルとで構成した非接触給電トランス、及び、３００ＨＡＷの送電コイルと３００ＨＡの受電コイルとで構成した非接触給電トランスの特性を測定した。
図７（ａ）は、３００ＨＡの送電コイルと３００ＨＡＷの受電コイルとで非接触給電トランスを構成した非接触給電システムの回路図を示し、図７（ｂ）は、３００ＨＡＷの送電コイルと３００ＨＡの受電コイルとで非接触給電トランスを構成した非接触給電システムの回路図を示している。図７（ａ）の回路では、二次側の受電コイルに全波整流器を接続して整流しており、図７（ｂ）の回路では、受電コイルに倍電圧整流器を接続して整流している。
【００３７】
図８には、（１）３００ＨＡの送電コイルと３００ＨＡＷの受電コイルとを組み合わせた非接触給電トランスを備える非接触給電装置、（２）３００ＨＡＷの送電コイルと３００ＨＡの受電コイルとを組み合わせた非接触給電トランスを備える非接触給電装置、（３）正規の３００ＨＡを備える非接触給電装置、及び、（４）正規の３００ＨＡＷを備える非接触給電装置、の結合係数ｋ及びトランス効率（％）の測定結果を示している。
各非接触給電装置の機械的ギャップ（送電コイルと受電コイルとの最接近位置でのギャップ）を７０ｍｍ、磁気的ギャップ（送電コイル及び受電コイルの磁極部間のギャップ）を８０ｍｍに設定した。また、送電コイルの巻数は２０に、受電コイルの巻数は６に統一し（ただし、巻線の並列数は、違えている。）、高周波電源の周波数は３０ｋＨｚに統一している。（１）及び（２）の給電電力は、送電コイル及び受電コイルの給電電力仕様の内で小さい方の給電電力値、即ち、１．５ｋＷに設定している。
【００３８】
（１）及び（２）の非接触給電装置の結合係数ｋは、正規の（３）及び（４）の非接触給電装置に比べて遜色がない。
また、（１）及び（２）の非接触給電装置のトランス効率（％）（図７においてＰBに対するＰCの比率を表す。）も、正規の（３）及び（４）の非接触給電装置に比べて遜色がない。
この測定結果から、３００ＨＡと３００ＨＡＷとは、給電電力の仕様が６．７倍異なっていても共用できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の非接触給電装置は、仕様の異なる非接触給電トランス間での共用が可能であり、自動車や搬送車や移動ロボットなどの移動体に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１ 送電コイル
２ 受電コイル
３ 高周波電源３
４ インバータ
５ 整流器
１０ 可変電圧整流器
２０ インバータ
３０ 非接触給電トランス
３１ 送電コイル
３２ 直列コンデンサ
３３ 受電コイル
３４ 並列コンデンサ
４０ 整流器
５０ 巻線
５１ 二次電池
５２ インバータ
５３ モータ
５４ エンジン
６１ コア
６２ 巻線
６３ コア
６４ 巻線
６５ アルミ板
６６ アルミ板
６７ 主磁束
７０ 矩形状コア
７１ 磁極部
７２ 磁極部
８０ Ｈ字形状コア
８１ 縦棒部分
８２ 縦棒部分
８３ 横棒部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車などの移動体に非接触で給電する非接触給電装置に関し、仕様の異なる送電コイル／受電コイル間での給電を可能にするものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触給電装置は、送電コイル（一次コイル）と受電コイル（二次コイル）との間の電磁誘導を利用して送電コイルから受電コイルに電力を供給する。この非接触給電装置は、電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載された二次電池の充電に利用することができ、車両充電用の非接触給電装置に対する需要は、今後、拡大するものと見られている。
車両充電用の非接触給電装置の場合、受電コイルを床の下面に搭載した自動車が、地面に設置された送電コイルの真上に受電コイルが来るように停車して非接触給電が行われるが、送電コイルと受電コイルとの水平方向の位置ずれや上下方向のギャップ長変動により、送電コイルと受電コイルとの間の結合係数が変化する。
この送電コイル／受電コイル間の位置ずれやギャップ長変動に伴う受電効率の低下を抑えるためには、コイル間の広い対向面積を確保する必要があり、コイル形状の大型化が避けられない。
【０００３】
しかし、図９（ａ）に示すように、矩形状のコア７０の中央部分に電線５０を巻回したコイル（両側巻コイル）を用いると、下記特許文献１に記載されているように、コアの片面に巻線を配置したコイル（片側巻コイル）よりも小型化が可能になる。図９（ａ）の上側は巻線を備えるコアを示し、下側はコアのみを示している。電線５０が巻回されないコア７０の両端７１、７２は、磁束が進入し、または出て行く磁極部となる。
また、本発明者等は、先に、図９（ｂ）に示すように、小型化が可能で、コア材の量が節約できるＨ字形状のコア８０を提案している（特願２００９−１９９４２５）。このＨ型コアの場合、Ｈの字の横棒部分８３に電線５０が巻回され、平行する縦棒部分８１、８２が磁極部となる。
【０００４】
両側巻コイルの送電コイルと受電コイルとが対向する場合、図１０に示すように、送電コイルのコア６１の磁極部から出た主磁束６７は、受電コイルのコア６３の磁極部に進入し、電線６４が巻回されたコア部分を通り、他方の磁極部から出て送電コイルのコア６１の磁極部に進入し、電線６２が巻回されたコア部分を通り、他方の磁極部に達する。
なお、両側巻コイルを用いる非接触給電装置では、漏洩磁束を磁気遮蔽するため、コイルの背面にアルミ板６５、６６を配置する。
【０００５】
また、図１１は、下記特許文献２に記載された非接触給電システムの回路図を示している。この回路は、商用電源ＶACの交流を整流器５で整流した後、インバータ４で高周波を生成して出力する高周波電源３と、送電コイル１と、高周波電源３及び送電コイル１間に直列接続された一次側直列コンデンサＣSと、送電コイル１に対向する受電コイル２と、受電コイル２に並列接続された二次側共振コンデンサＣPと、負荷ＲLとを備えている。
この等価回路は図１２のように表すことができ、一次側直列コンデンサの値ＣS及び二次側並列共振コンデンサの値ＣPは、共振条件から次式のように設定する。
ω0＝２πｆ0
１／ω0ＣP＝ω0Ｌ2＝ｘP＝ｘ0’＋ｘ2
１／ω0ＣS＝ｘS’＝｛（ｘ0’・ｘ2）／（ｘ0’＋ｘ2）｝＋ｘ1’
ここでｆ0は高周波電源３の周波数、Ｌ2は受電コイルの自己インダクタンスである。
一次側直列コンデンサＣS及び二次側並列共振コンデンサＣPを備える非接触給電装置は、このようにＣP及びＣSを設定すると、非接触給電トランス（送電コイル＋受電コイル）が理想トランスと等価になるので、その設計が容易になる。また、負荷ＲLが抵抗負荷の場合は、高周波電源３の力率が常に１になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１７２０８４号公報
【特許文献２】ＷＯ２００７−０２９４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
車両充電用の非接触給電装置の利用形態として、自宅で小容量の非接触給電トランスにより普通充電（長時間充電）を行う場合と、駐車場等で大容量の非接触給電トランスにより急速充電を行う場合とが考えられる。
小容量の非接触給電トランスと大容量の非接触給電トランスでは、給電電力に関する仕様が相違する。
また、駐車場等では、送電コイルの表面のみが地表に現れるように送電コイルを地中に埋設する形態が主流になり、自宅では、送電コイルを地表に据え置きする簡便な形態が主流になると考えられる。この場合、非接触給電トランスのギャップ長は、送電コイルを地中に埋設した方が長くなる。そのため、非接触給電トランスにより、ギャップ長に関する仕様が異なる場合が有り得る。
【０００８】
しかし、従来は、同一仕様の送電コイルと受電コイルとの間での給電しか考慮されていない。
図１３は、従来の給電の形態を模式的に示している。ここでは、送電コイルをＣ１、受電コイルをＣ２で表している。また、給電能力の仕様が１．５ｋＷのコイルをＮで、１０ｋＷのコイルをＲで表している。また、ギャップ長の仕様が７０ｍｍのコイルをＳで、１４０ｍｍのコイルをＬで表している。
従来の非接触給電装置では、Ｃ２ＮＳの受電コイルは、Ｃ１ＮＳの送電コイルのみから受電するように設定され、同様に、Ｃ２ＲＳの受電コイルはＣ１ＲＳの送電コイルから、Ｃ２ＮＬの受電コイルはＣ１ＮＬの送電コイルから、また、Ｃ２ＲＬの受電コイルはＣ１ＲＬの送電コイルから受電するように設定されている。
【０００９】
このように、非接触給電トランスに複数種類の仕様が存在する場合に、車両に搭載した受電コイルの仕様と一致する送電コイルからの受電のみが可能で、それ以外の送電コイルから受電できない、と言うのは、極めて不便である。
また、複数種類の仕様の送電コイルから受電が受けられるように、車両に複数種類の仕様の受電コイルを搭載するのでは、車両の重量が増え、コストの上昇をもたらすと言う不都合がある。
【００１０】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、仕様の異なる送電コイルと受電コイルとの間の給電を可能にし、送電コイルや受電コイルを複数の仕様の非接触給電トランスで共用できる非接触給電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の非接触給電装置は、送電コイルと、送電コイルに直列または並列に接続する一次側コンデンサと、送電コイルにギャップを介して対向する受電コイルと、受電コイルに並列に接続する二次側共振コンデンサとを備え、送電コイルから受電コイルに給電が行われる非接触給電装置であって、送電コイル及び受電コイルは、両端に磁極部を有する矩形状またはＨ字状のコアと、磁極部の間のコア部分に巻回された電線とを備え、送電コイルの電源周波数の仕様と受電コイルの共振周波数の仕様とが等しく、送電コイルの給電電力及びギャップ長の少なくとも一方の仕様が、受電コイルの対応する仕様と相違し、給電電力の仕様が送電コイルと受電コイルとで相違するとき、それらの給電電力の内で小さい方の給電電力を給電可能な最大電力として送電コイルから受電コイルへの給電が行われ、ギャップ長の仕様が送電コイルと受電コイルとで相違するとき、送電コイルの仕様であるギャップ長を介して送電コイルと受電コイルとが対向し、給電が行われることを特徴とする。
【００１２】
非接触給電トランスの送電コイルと受電コイルとの仕様が異なる場合でも、給電を可能にするために、各仕様の非接触給電トランスは、
（１）送電コイル及び受電コイルのコアを矩形状またはＨ字状とする。
（２）送電コイル及び受電コイルは両側巻コイルとする。
（３）電源周波数を共通にする。
（４）受電コイルと並列に二次側共振コンデンサを接続する。
そして、給電電力の仕様が送電コイルと受電コイルとで異なるときは、小さい方の給電電力で給電を行う。また、ギャップ長の仕様が送電コイルと受電コイルとで異なるときは、送電コイルの仕様であるギャップ長で給電を行う。
【００１３】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルと受電コイルとの間の係合係数をＫAB、送電コイルの給電電力及びギャップ長の仕様と同一仕様の受電コイルと送電コイルとの間の結合係数をＫA、受電コイルの給電電力及びギャップ長の仕様と同一仕様の送電コイルと受電コイルとの間の結合係数をＫBとするとき、
０．５ＫA≦ＫAB≦２ＫA、且つ、０．５ＫB≦ＫAB≦２ＫB
とする。
異仕様間の組み合わせの場合に、高効率な給電を行うには送電コイルと受電コイルとの間の結合係数ＫABが高い必要がある。送電コイルと正規に組合される受電コイルとの結合係数をＫA、受電コイルと正規に組合される送電コイルとの結合係数をＫBとするとき、上記不等式を満たすように送電コイル及び受電コイルのコア形状や巻数を設計して、正規の組み合わせの場合の結合係数と同程度の結合係数を確保する。
【００１４】
また、本発明の非接触給電装置では、受電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、送電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の受電コイルに巻回された電線の巻回数に等しくなるようにする。
送電コイルの巻数と受電コイルの巻数とは、送電コイルと受電コイルとの電圧比を決める重要なパラメータである。ギャップ長が長い仕様の場合、ギャップ長が短いものと比べて、結合係数が下がり、送電コイルの電圧が一定でも受電コイルの電圧が上がる。車載装置にとって、受電コイルの電圧変化は好ましくない。そのため、ギャップ長の仕様が異なる非接触給電トランスの共用化を図る上で、ギャップ長の違いによる受電コイルの電圧変化を抑制する対策が必要になるが、本発明では、受電コイルの巻数は統一し、送電コイルの巻数を変えて、この受電コイルの電圧変化に対応する。
【００１５】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルのギャップ長の仕様が受電コイルのギャップ長の仕様と同一であるとき、送電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、受電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の送電コイルに巻回された電線の巻回数に等しくなるようにする。
ギャップ長の仕様が同一の送電コイルにおける巻線の巻回数は同数に設定する。
【００１６】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルのギャップ長の仕様が受電コイルのギャップ長の仕様より長いとき、送電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、受電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の送電コイルに巻回された電線の巻回数より多く設定する。
ギャップ長の仕様が異なる非接触給電トランス間では、受電コイルの巻数を統一し、ギャップ長の長い送電トランスの巻数Ｎ1Lをギャップ長の短いトランスの巻数Ｎ1Sよりも多くする（Ｎ1L≧Ｎ1S）。ギャップ長の仕様が変化するのは、主に、図１３に示すように送電コイルを地表に据え置きするか、地中に埋設するかに依る。従って、ギャップ長の違いによる受電コイルの電圧変化を抑制するには、車載の受電コイルの巻数は一定にして、送電コイルの巻数で調整する方が好ましい。
【００１７】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルの磁極部の長さをＬA、幅をＷA、コアの両端にある磁極部の間の距離をＤA、受電コイルの磁極部の長さをＬB、幅をＷB、コアの両端にある磁極部の間の距離をＤBとするとき、
０．５×ＬB≦ＬA≦２×ＬB
ＤB≦ＤA≦ＤB＋２×ＷB、または、ＤA≦ＤB≦ＤA＋２×ＷA
とする。
こうすることで、異仕様の送電コイルと受電コイルとを組合わせた非接触給電トランスでも、送電コイル及び受電コイルの磁極部の重なりが得られる。
【００１８】
また、本発明の非接触給電装置では、受電コイルに並列に接続された二次側共振コンデンサの値ＣPは、受電コイルと同一仕様の送電コイルがギャップ長の位置に開放状態で置かれたときの受電コイルの自己インダクタンスをＬ2とするとき、電源周波数ｆ0で、Ｌ2とＣPとが共振するように設定する。
二次側共振コンデンサの値ＣPは、受電コイルと正規に組合される送電コイルとの非接触給電トランスにおいて共振するように設定する。
【００１９】
また、本発明の非接触給電装置では、一次側コンデンサを送電コイルと高周波電源との間に直列に接続し、一次側コンデンサの値ＣSは、受電コイルに二次側共振コンデンサＣPと抵抗負荷ＲLとが並列接続した状態で、高周波電源の出力力率が１になるように設定する。
【００２０】
また、本発明の非接触給電装置では、一次側コンデンサの値ＣSを調整する調整手段を設け、調整手段が、高周波電源の出力力率が１になるように一次側コンデンサの値ＣSを調整する。
異仕様の送電コイルと受電コイルとの組合せにより、高周波電源の出力力率が１から大きくずれる場合は、一次側コンデンサの値ＣSを調整して最適な値に切り替える。
【００２１】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルの給電電力の仕様と、受電コイルの給電電力の仕様とが２倍以上異なる場合でも、送電コイルと受電コイルとの組合わせが可能である。
【００２２】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルのギャップ長の仕様と、受電コイルのギャップ長の仕様とが１．５倍以上異なる場合でも、送電コイルと受電コイルとの組合わせが可能である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の非接触給電装置は、仕様の異なる送電コイルと受電コイルとの間での給電が可能であり、送電コイルや受電コイルを異なる仕様の非接触給電トランスに共用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】車両充電用の非接触給電システムを示す図
【図２】本発明の非接触給電装置の送電コイルと受電コイルの組合せの例を示す図
【図３】異仕様の送電コイルと受電コイルとを組合せた非接触給電装置の給電可能な最大電力と最大ギャップ長を示す図
【図４】本発明の非接触給電装置の送電コイルと受電コイルの磁極部の大きさの関係を示す図
【図５】試作した非接触給電装置の送電コイル及び受電コイルのコアの外形を示す図
【図６】図５の送電コイル及び受電コイルの巻数、巻線並列数、コア厚さを示す図
【図７】異仕様の送電コイルと受電コイルとを組合わせた非接触給電システムの回路図
【図８】異仕様の送電コイルと受電コイルとを組合わせた非接触給電装置の特性を示す図
【図９】矩形状コア及びＨ型コアを備える非接触給電トランスを示す図
【図１０】両側巻の非接触給電トランスの磁束を示す図
【図１１】非接触給電システムの回路図
【図１２】図１１の等価回路
【図１３】従来の非接触給電装置の送電コイルと受電コイルの組合せを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明の非接触給電システムをプラグインハイブリッド車の充電に用いたときの形態を模式的に示している。
充電を受けるプラグインハイブリッド車は、エンジン５４とともにモータ５３を駆動源として搭載し、モータ用の電源である二次電池５１と、二次電池の直流を交流に変換してモータに供給するインバータ５２とを備えている。
二次電池５１への給電を行う非接触給電システムは、地上側に、商用電源の交流を直流に変換するとともに、その電圧を可変する可変電圧整流器１０と、直流から高周波交流を生成するインバータ２０と、非接触給電トランス３０の一方である送電コイル３１と、送電コイルに直列接続された一次側直列コンデンサ３２とを備えており、車両側に、非接触給電トランス３０の他方である受電コイル３３と、二次電池のために交流を直流に変換する整流器４０と、受電コイルと整流器との間に並列接続された二次側並列共振コンデンサ３４とを備えている。
【００２６】
図２は、本発明の非接触給電装置での送電コイルと受電コイルとの組合せの例を模式的に示している。ここでは、図１３と同様に、送電コイルをＣ１、受電コイルをＣ２で表し、給電能力の仕様が１．５ｋＷのコイルをＮ、１０ｋＷのコイルをＲ、ギャップ長の仕様が７０ｍｍのコイルをＳ、１４０ｍｍのコイルをＬで表している。
本発明の非接触給電装置では、Ｃ１ＮＳの送電コイルにＣ２ＲＳの受電コイルを組み合わせたり、Ｃ１ＲＳの送電コイルにＣ２ＮＳの受電コイルを組み合わせたり、Ｃ１ＮＬの送電コイルにＣ２ＮＳの受電コイルを組み合わせたり、Ｃ１ＮＳの送電コイルにＣ２ＮＬの受電コイルを組み合わせたりすることが可能である。
【００２７】
図３の表は、縦に記載した各仕様の送電コイルと、横に記載した各仕様の受電コイルとを組み合わせた非接触給電トランスの給電可能な最大電力と、最大ギャップ長とを示している。（なお、ギャップ長の７０ｍｍ及び１４０ｍｍは標準ギャップ長であり、ギャップ長が標準の値からプラス・マイナス４０％程度変動しても給電は可能である。）
図３に示すように、仕様の異なる送電コイルと受電コイルとを組み合わせた非接触給電トランスでは、送電コイル及び受電コイルの給電電力の内、小さい方の給電電力を給電可能な最大電力として設定する。
また、この非接触給電トランスの最大ギャップ長は、送電コイルの仕様であるギャップ長とする。
【００２８】
このように、送電コイル及び受電コイルが、異なる仕様の非接触給電トランスで共用できるようにするため、各仕様の非接触給電トランスは、次の要件を順守する必要がある。
（ａ）送電コイル及び受電コイルのコアは、矩形状またはＨ字状とし、送電コイル及び受電コイルは、両側巻コイルとする。これは、両側巻コイルの方が、片側巻コイルに比べて、送電コイルと受電コイルとの位置ずれを小型形状で補えるためである。
（ｂ）各仕様の非接触給電トランスの電源周波数（インバータ２０の出力周波数）を統一する。
（ｃ）受電コイルには並列に二次側共振コンデンサを接続する。また、送電コイルには一次側コンデンサを直列に接続することが望ましい。こうすることで、非接触給電トランスを理想トランスと略等価にすることができ、その設計が容易である。また、受電コイルに並列接続する負荷が抵抗負荷の場合、一次側コンデンサの値を調整して高周波電源３の力率を１に近付けることができる。一次側コンデンサの調整は、例えば、複数の値のコンデンサを用意して、最適なコンデンサに回路を切り替える。
なお、一次側コンデンサは、送電コイルに並列接続しても良いこととする。
【００２９】
（ｄ）異なる仕様の送電コイルと受電コイルとを組み合わせた非接触給電トランスで高い効率の給電を行うには、その送電コイルと受電コイルとの間の結合係数が高い必要がある。そのため、異なる仕様の送電コイルＣ１と受電コイルＣ２とを組み合わせた非接触給電トランスの結合係数をＫAB、送電コイルＣ１と同一仕様の受電コイルとを組み合わせた正規の非接触給電トランスの結合係数をＫA、受電コイルＣ２と同一仕様の送電コイルとを組み合わせた正規の非接触給電トランスの結合係数をＫBとするとき、
０．５ＫA≦ＫAB≦２ＫA、且つ、０．５ＫB≦ＫAB≦２ＫB
となるように設定する。
（ｅ）受電コイルを、ギャップ長の仕様が長い送電コイルに組合わせても、短い送電コイルに組合わせても、受電コイルの電圧変化が生じないように設定する必要がある。ギャップ長が長い仕様の場合、結合係数が下がり、送電コイルの電圧が一定でも受電コイルの電圧が上がる。車載装置にとっては受電コイルの電圧変化は好ましくない。そのため、送電コイルのギャップ長の仕様が違っても、受電コイルの電圧変化を抑制することが必要である。
【００３０】
この（ｄ）、（ｅ）の要件を満たすように送電コイル及び受電コイルのコアや巻線の仕様（材料、形状、寸法、巻回数など）を決める。
そのために、図４に示すように、送電コイルの磁極部の長さＬAと受電コイルの磁極部の長さＬBは略同じに設定する。少なくとも、
０．５×ＬB≦ＬA≦２×ＬB
の条件を満たす必要がある。
また、送電コイルの磁極部の幅をＷA、磁極部の間の距離をＤA、受電コイルの磁極部の幅をＷB、磁極部の間の距離をＤBとするとき、
ＤB≦ＤA≦ＤB＋２×ＷB、または、ＤA≦ＤB≦ＤA＋２×ＷA
となるように設定して、送電コイルの磁極部と受電コイルの磁極部とが常に重なるようにする。
【００３１】
また、送電コイル及び受電コイルの巻回数は、ギャップ長の仕様の違いによる受電コイルの電圧変化を抑制するため、次のように設定する。
ギャップ長の仕様の違いは、主に、図１３に示すように送電コイルを地表に据え置きするか、地中に埋設するかに依るため、各仕様において受電コイルの巻回数は統一し、送電コイルの巻回数をギャップ長に応じて調整し、受電コイルの電圧低下を抑える。
即ち、ギャップ長の仕様が異なる非接触給電トランスの送電コイルの巻数は、ギャップ長の長い送電コイルの巻数をＮ1L、ギャップ長の短い送電コイルの巻数をＮ1Sとするとき、Ｎ1L≧Ｎ1Sとなるように決める。また、ギャップ長の仕様が同一の送電コイルの巻数は、同数とする。
【００３２】
例えば、図２で送電コイルＣ１ＮＳの巻数をＮ１ＮＳ、受電コイルＣ２ＮＳの巻数をＮ２ＮＳのように、あるコイルの記号“Ｃ”を“Ｎ”に変えるとそのコイルの巻数を表すとする。また、各コイルのコアの形状と大きさは略同じであるとする。
このとき給電電力の仕様の異なるコイルの巻数をＮ１ＮＳ＝Ｎ１ＲＳ、且つ、Ｎ２ＮＳ＝Ｎ２ＲＳとすると、送電コイルＣ１ＮＳから受電コイルＣ２ＲＳへＣ１ＮＳの定格電力での給電が可能となり、同様にＣ１ＲＳからＣ２ＮＳへＣ２ＮＳの定格電力での給電が可能となる。
また、ギャップ長の仕様の異なるコイルの巻数をＮ１ＮＬ≧Ｎ１ＮＳ、且つ、Ｎ２ＮＬ＝Ｎ２ＮＳとすると、送電コイルＣ１ＮＬから受電コイルＣ２ＮＳへＣ１ＮＬのギャップ長の仕様での定格電力給電が可能となり、同様に、Ｃ１ＮＳからＣ２ＮＬへＣ１ＮＳのギャップ長の仕様での定格電力給電が可能となる。
【００３３】
以上のように送電コイル及び受電コイルのコアや巻線の仕様を設定することで、給電電力の仕様が２倍以上異なる送電コイルと受電コイルとを組み合わせたり、ギャップ長の仕様が１．５倍以上異なる送電コイルと受電コイルとを組み合わせたりすることが可能になる。
その結果、送電コイルが設置された非接触給電の地上設備を、各種仕様の受電コイルを搭載した車両が共用できるようになり、非接触給電による車両充電の普及を図ることができる。
また、受電コイルを搭載した車両は、各種仕様の送電コイルを備える非接触給電設備から給電を受けることができるため、利便性が向上する。
【００３４】
次に、発明者が試作した、相互の共用が可能な非接触給電装置について説明する。
この装置に用いる非接触給電トランスは、給電電力の仕様が１．５ｋＷの非接触給電トランス（３００ＨＡ）と、１０ｋＷの非接触給電トランス（３００ＨＡＷ）であり、図５（ａ）に３００ＨＡのＨ型コアの外形を示し、図５（ｂ）に３００ＨＡＷのＨ型コアの外形を示している。図６には、これらの非接触給電トランスの巻数、巻線並列数、及び、コア厚さを示している。コア厚さは、図４の被コイル部のコアの厚さである。
【００３５】
ここでは、３００ＨＡ及び３００ＨＡＷの磁極部の長さ（３００ｍｍ）を統一している。また、磁極部外端間の寸法は、３００ＨＡでは２４０ｍｍ、３００ＨＡＷでは２８０ｍｍに設定しており、３００ＨＡの送電コイルと３００ＨＡＷの受電コイルとを組み合わせたときに、また、３００ＨＡの受電コイルと３００ＨＡＷの送電コイルとを組み合わせたときに、互いの磁極部が重なるように決めている。また、３００ＨＡ及び３００ＨＡＷの送電コイルの巻数を同一に設定し、受電コイルの巻数を同一に設定している。
【００３６】
この３００ＨＡと３００ＨＡＷとの共用化を調べるため、３００ＨＡの送電コイルと３００ＨＡＷの受電コイルとで構成した非接触給電トランス、及び、３００ＨＡＷの送電コイルと３００ＨＡの受電コイルとで構成した非接触給電トランスの特性を測定した。
図７（ａ）は、３００ＨＡの送電コイルと３００ＨＡＷの受電コイルとで非接触給電トランスを構成した非接触給電システムの回路図を示し、図７（ｂ）は、３００ＨＡＷの送電コイルと３００ＨＡの受電コイルとで非接触給電トランスを構成した非接触給電システムの回路図を示している。図７（ａ）の回路では、二次側の受電コイルに全波整流器を接続して整流しており、図７（ｂ）の回路では、受電コイルに倍電圧整流器を接続して整流している。
【００３７】
図８には、（１）３００ＨＡの送電コイルと３００ＨＡＷの受電コイルとを組み合わせた非接触給電トランスを備える非接触給電装置、（２）３００ＨＡＷの送電コイルと３００ＨＡの受電コイルとを組み合わせた非接触給電トランスを備える非接触給電装置、（３）正規の３００ＨＡを備える非接触給電装置、及び、（４）正規の３００ＨＡＷを備える非接触給電装置、の結合係数ｋ及びトランス効率（％）の測定結果を示している。
各非接触給電装置の機械的ギャップ（送電コイルと受電コイルとの最接近位置でのギャップ）を７０ｍｍ、磁気的ギャップ（送電コイル及び受電コイルの磁極部間のギャップ）を８０ｍｍに設定した。また、送電コイルの巻数は２０に、受電コイルの巻数は６に統一し（ただし、巻線の並列数は、違えている。）、高周波電源の周波数は３０ｋＨｚに統一している。（１）及び（２）の給電電力は、送電コイル及び受電コイルの給電電力仕様の内で小さい方の給電電力値、即ち、１．５ｋＷに設定している。
【００３８】
（１）及び（２）の非接触給電装置の結合係数ｋは、正規の（３）及び（４）の非接触給電装置に比べて遜色がない。
また、（１）及び（２）の非接触給電装置のトランス効率（％）（図７においてＰBに対するＰCの比率を表す。）も、正規の（３）及び（４）の非接触給電装置に比べて遜色がない。
この測定結果から、３００ＨＡと３００ＨＡＷとは、給電電力の仕様が６．７倍異なっていても共用できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の非接触給電装置は、仕様の異なる非接触給電トランス間での共用が可能であり、自動車や搬送車や移動ロボットなどの移動体に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１ 送電コイル
２ 受電コイル
３ 高周波電源３
４ インバータ
５ 整流器
１０ 可変電圧整流器
２０ インバータ
３０ 非接触給電トランス
３１ 送電コイル
３２ 直列コンデンサ
３３ 受電コイル
３４ 並列コンデンサ
４０ 整流器
５０ 巻線
５１ 二次電池
５２ インバータ
５３ モータ
５４ エンジン
６１ コア
６２ 巻線
６３ コア
６４ 巻線
６５ アルミ板
６６ アルミ板
６７ 主磁束
７０ 矩形状コア
７１ 磁極部
７２ 磁極部
８０ Ｈ字形状コア
８１ 縦棒部分
８２ 縦棒部分
８３ 横棒部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電コイルと、該送電コイルに直列または並列に接続する一次側コンデンサと、前記送電コイルにギャップを介して対向する受電コイルと、該受電コイルに並列に接続する二次側共振コンデンサとを備え、前記送電コイルから前記受電コイルに給電が行われる非接触給電装置であって、
前記送電コイル及び受電コイルは、両端に磁極部を有する矩形状またはＨ字状のコアと、該磁極部の間のコア部分に巻回された電線とを備え、
前記送電コイルの電源周波数の仕様と前記受電コイルの共振周波数の仕様とが等しく、
前記送電コイルの給電電力及びギャップ長の少なくとも一方の仕様が、前記受電コイルの対応する仕様と相違し、
給電電力の仕様が前記送電コイルと前記受電コイルとで相違するとき、それらの給電電力の内で小さい方の給電電力を給電可能な最大電力として前記送電コイルから前記受電コイルへの給電が行われ、
ギャップ長の仕様が前記送電コイルと前記受電コイルとで相違するとき、前記送電コイルの仕様であるギャップ長を介して該送電コイルと前記受電コイルとが対向し、給電が行われることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記受電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、前記送電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の受電コイルに巻回された電線の巻回数に等しいことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルのギャップ長の仕様が前記受電コイルのギャップ長の仕様と同一であるとき、前記送電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、前記受電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の送電コイルに巻回された電線の巻回数に等しいことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項４】
請求項２に記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルのギャップ長の仕様が前記受電コイルのギャップ長の仕様より長いとき、前記送電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、前記受電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の送電コイルに巻回された電線の巻回数より多いことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数をＫAB、前記送電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の受電コイルと該送電コイルとの間の結合係数をＫA、前記受電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の送電コイルと該受電コイルとの間の結合係数をＫBとするとき、
０．５ＫA≦ＫAB≦２ＫA、且つ、０．５ＫB≦ＫAB≦２ＫB
であることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルの前記磁極部の長さをＬA、幅をＷA、コアの両端にある前記磁極部の間の距離をＤA、前記受電コイルの前記磁極部の長さをＬB、幅をＷB、コアの両端にある前記磁極部の間の距離をＤBとするとき、
０．５×ＬB≦ＬA≦２×ＬB
ＤB≦ＤA≦ＤB＋２×ＷB、または、ＤA≦ＤB≦ＤA＋２×ＷA
であることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記受電コイルに並列に接続された前記二次側共振コンデンサの値ＣPは、前記受電コイルと同一仕様の送電コイルがギャップ長の位置に開放状態で置かれたときの前記受電コイルの自己インダクタンスをＬ2として、電源周波数ｆ0で、Ｌ2とＣPとが共振するように設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項８】
請求項７に記載の非接触給電装置であって、前記一次側コンデンサが前記送電コイルと高周波電源との間に直列に接続され、前記一次側コンデンサの値ＣSは、前記受電コイルに前記二次側共振コンデンサＣPと抵抗負荷ＲLとを並列接続して、前記高周波電源の出力力率が１になるように設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項９】
請求項８に記載の非接触給電装置であって、前記一次側コンデンサの値ＣSを調整する調整手段を有し、前記調整手段が、前記高周波電源の出力力率が１になるように前記一次側コンデンサの値ＣSを調整することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルの給電電力の仕様と、前記受電コイルの給電電力の仕様とが２倍以上異なることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルのギャップ長の仕様と、前記受電コイルのギャップ長の仕様とが１．５倍以上異なることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１】
送電コイルと、該送電コイルに直列または並列に接続する一次側コンデンサと、前記送電コイルにギャップを介して対向する受電コイルと、該受電コイルに並列に接続する二次側共振コンデンサとを備え、前記送電コイルから前記受電コイルに給電が行われる非接触給電装置であって、
前記送電コイル及び受電コイルは、両端に磁極部を有する矩形状またはＨ字状のコアと、該磁極部の間のコア部分に巻回された電線とを備え、
前記送電コイルの電源周波数の仕様と前記受電コイルの共振周波数の仕様とが等しく、
前記送電コイルの給電電力及びギャップ長の少なくとも一方の仕様が、前記受電コイルの対応する仕様と相違し、
給電電力の仕様が前記送電コイルと前記受電コイルとで相違するとき、それらの給電電力の内で小さい方の給電電力を給電可能な最大電力として前記送電コイルから前記受電コイルへの給電が行われ、
ギャップ長の仕様が前記送電コイルと前記受電コイルとで相違するとき、前記送電コイルの仕様であるギャップ長を介して該送電コイルと前記受電コイルとが対向し、給電が行われることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記受電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、前記送電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の受電コイルに巻回された電線の巻回数に等しいことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルのギャップ長の仕様が前記受電コイルのギャップ長の仕様と同一であるとき、前記送電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、前記受電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の送電コイルに巻回された電線の巻回数に等しいことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項４】
請求項２に記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルのギャップ長の仕様が前記受電コイルのギャップ長の仕様より長いとき、前記送電コイルのコア部分に巻回された電線の巻回数が、前記受電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の送電コイルに巻回された電線の巻回数より多いことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルと前記受電コイルとの間の結合係数をＫAB、前記送電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の受電コイルと該送電コイルとの間の結合係数をＫA、前記受電コイルの正規（給電電力及びギャップ長の仕様が同一）の送電コイルと該受電コイルとの間の結合係数をＫBとするとき、
０．５ＫA≦ＫAB≦２ＫA、且つ、０．５ＫB≦ＫAB≦２ＫB
であることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルの前記磁極部の長さをＬA、幅をＷA、コアの両端にある前記磁極部の間の距離をＤA、前記受電コイルの前記磁極部の長さをＬB、幅をＷB、コアの両端にある前記磁極部の間の距離をＤBとするとき、
０．５×ＬB≦ＬA≦２×ＬB
ＤB≦ＤA≦ＤB＋２×ＷB、または、ＤA≦ＤB≦ＤA＋２×ＷA
であることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記受電コイルに並列に接続された前記二次側共振コンデンサの値ＣPは、前記受電コイルと同一仕様の送電コイルがギャップ長の位置に開放状態で置かれたときの前記受電コイルの自己インダクタンスをＬ2として、電源周波数ｆ0で、Ｌ2とＣPとが共振するように設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項８】
請求項７に記載の非接触給電装置であって、前記一次側コンデンサが前記送電コイルと高周波電源との間に直列に接続され、前記一次側コンデンサの値ＣSは、前記受電コイルに前記二次側共振コンデンサＣPと抵抗負荷ＲLとを並列接続して、前記高周波電源の出力力率が１になるように設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項９】
請求項８に記載の非接触給電装置であって、前記一次側コンデンサの値ＣSを調整する調整手段を有し、前記調整手段が、前記高周波電源の出力力率が１になるように前記一次側コンデンサの値ＣSを調整することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルの給電電力の仕様と、前記受電コイルの給電電力の仕様とが２倍以上異なることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルのギャップ長の仕様と、前記受電コイルのギャップ長の仕様とが１．５倍以上異なることを特徴とする非接触給電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１７０１９５（Ｐ２０１２−１７０１９５Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７５４８（Ｐ２０１１−２７５４８）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（５０４１９０５４８）国立大学法人埼玉大学 (292)
【出願人】（５９１２０６８８７）株式会社テクノバ (20)
【出願人】（０００１００７６８）アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 (3,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（５０４１９０５４８）国立大学法人埼玉大学 (292)
【出願人】（５９１２０６８８７）株式会社テクノバ (20)
【出願人】（０００１００７６８）アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 (3,717)
【Ｆターム（参考）】
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